小型化10 MHz恒温晶体振荡器设计.pdf

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1、波谱学杂志第31卷第3期V-0I_31No．32014年9月ChineseJournalofMagneticResonanceSep．2014文章编号：1000—4556(2014)03-389-08小型化10MHz恒温晶体振荡器设计孙兵锋1,2，阎世栋，陈涛1,2，侯林山，钟达，梅刚华[1．中国科学院原子频标重点实验室(中国科学院武汉物理与数学研究所)，湖北武汉4300712．中国科学院大学，北京100049]摘要：设计了用于高精度铷原子频标的一种小型化恒温压控晶体振荡器．振荡电路采用了稳定性好的并联型皮尔斯电路方案，采用2级型LC级联滤波器抑制

2、谐杂波，利用互补对称式金属．氧化物一半导体(CMOS)反相器实施隔离．振荡和放大电路选用了低噪声晶体管．晶体的温度控制在频率一温度曲线拐点处．实现了体积为4mL晶振样件．晶振的短期频率稳定度为1．8x10／s，相噪对铷频标频率稳定度的贡献仅为3．2x10f．关键词：晶体振荡器；小型化；相位噪声；频率稳定度中图分类号：0455．1文献标识码：A引言恒温晶体振荡器为铷原子频标提供初始频率源，也是其标准频率输出的载体．小型化、高稳定度铷原子频标要求晶振具有体积小、相位噪声低和短期频率稳定度高的特点．本文研究工作主要目的，旨在设计一种小型化、高性能晶振，以

3、满足频率稳定度为5x10f，体积大约为200mL的铷原子频标的应用需求．设计工作围绕小型化、低相噪和提高频率稳定度几个方面进行．本文介绍这种晶振的主要设计思路和测试结果．收稿日期：2013．12．09；收修改稿日期：2014．07．25作者简介：孙兵锋(1978一)，男，湖南常德人，博士研究生，从事小型化铷原子频标研究．+通讯联系人：梅刚华，电话：027-87197190，E-mail：mei@wipm．ac．cn．390波谱学杂志第31卷1晶体振荡器结构和工作原理晶体振荡器由振荡电路、放大电路、隔离电路、滤波与匹配电路和温控电路几部分构成，见图1

4、．在直流电压作用下，晶体产生具有各种频率分量的频谱，由振荡电路进行选频，产生高Q值10MHz信号．放大电路将10MHz信号增强到合适的幅度，满足实际应用的需求．隔离电路的功能是实现振荡电路与负载之间的隔离，降低负载对信号质量的影响．滤波与匹配电路的作用是抑制10MHz信号的谐杂波，并实现晶振与外部负载之间的阻抗匹配．温控电路的作用是将石英晶体的工作温度精确控制在晶体频率温度特性曲线的拐点处，减小输出频率的温度系数，克服环境温度变化对输出频率稳定性的影响．图1晶振电路结构图Fig．1Structureofthecrystaloscillatorcir

5、cuit在各个电路模块中，振荡电路是核心，它的特性在很大程度上决定晶振输出频率的稳定性和相位噪声．其它电路对信号稳定性和频谱纯度也有重要影响．2电．路设计电路的设计工作主要包括振荡电路结构选型、晶体管噪声抑制、电路的有载值、谐杂波抑制、克服负载效应和晶体温控等几方面，每一个因素均会对晶振的电性能产生重要影响．2．1振荡电路结构晶振振荡电路由晶体、放大网络和反馈网络组成．现有设计方案有串联晶体振荡电路和并联晶体振荡电路两种．在串联型电路中，晶体置于放大网络与反馈网络之间，工作在串联谐振频率上，缺点是振荡方式的稳定性较差．并联型电路中，晶体置于反馈网络

6、中，工作在串联谐振频率与并联谐振频率之间，晶体呈感性，与其它电抗元件构成并联谐振回路⋯．目前高稳晶振多采用并联型振荡电路．并联型电路按晶体与晶体管3个电极的连接方式不同，又分为c—b，e—b和c—e三种电路方案[2】．在设计中，最终选取晶体连接于晶体管C极和b极之间、e极接地的c—b电路，称为并联型皮尔斯电路．该电路具有振荡回路与晶体管、负载之间的耦合弱、输出频率稳定性好的优点．图2为c—b电路的电路结构图．晶体管起放大作用，石英晶体Q是频率信号产生单元，电容C2，c0，Cf和电感1是反馈网络．晶体管、晶体和反馈网络共同构成一第3期孙兵锋等：小型化

7、10MHz恒温晶体振荡器设计391个谐振回路．振荡电路的谐振频率选为10MHz，Co和三构成的回路呈容性，晶体则工作在感性区，可以等效为电感．所以，整个电路构成一个谐振频率为10MHz的一C振荡电路．其中G为调试电容，起到频率微调的作用．2．2晶体管噪声相位噪声决定于电路元器件的热噪声．无源器件电容、电感的热噪声极小，主要噪声来源是晶体管．因此，减少晶体管数目，并选用噪声尽可能低的晶体管，是实现低相噪的重要途径．晶体管噪声可以用等效的噪声模型来分析．将各个噪声源等效到b-e输入端，并得到相互独立的输入端噪声电压源和输入端噪声电流源厶．图3是晶体管等

8、效噪声模型【3]．Er——厂^、rb6^】)一，∈≥厶{图2皮尔斯振荡电路原理图图3晶体管等效晶噪声模型Fig．2Sche